Li-Fi – świetlana przyszłość komunikacji

Kurczące się zasoby widma radiowego, stale rosnące zapotrzebowanie na szybką i bezprzewodową łączność sieciową sprawiają, że technologia Light Fidelity (Li-Fi) może znacząco wpłynąć na obraz współczesnej komunikacji. Dzięki Li-Fi można przesyłać dane z gigabitowymi prędkościami, używając do tego popularnych diod LED.

Prototypowe rozwiązania bazujące na nowatorskiej koncepcji Li-Fi zostały zaprezentowane m.in. podczas tegorocznych targów CES (Consumer Electronics Show) i MWC (Mobile World Congress).

Transmisja w świetle widzialnym

Popyt na mobilne i bezprzewodowe rozwiązania sieciowe rośnie nieustannie. Nie został zahamowany przez konkurencyjne technologie stacjonarne, nie przeszkodziły mu również zawirowania ekonomiczne światowych gospodarek. Wszelkie badania przedmiotowe potwierdzają tezę, że coraz więcej osób chciałoby, by użytkowane przez nich urządzenia mogły łączyć się z internetem bez względu na miejsce pobytu, a koszty takich transmisji były relatywnie niskie. Wymagania te odnoszą się zarówno do sieci komórkowych, jak i bezprzewodowych (Wi-Fi).

Zobacz również:

  • Wi-Fi 7 - kompendium wiedzy o nadchodzącym standardzie

Producenci i operatorzy prześcigają się w oferowaniu usług dostosowanych do najnowszych technologii mobilnych (LTE/LTE-Advanced) i bezprzewodowych (IEEE 802.11ac), pozwalających przesyłać dane z prędkościami sięgającymi setek megabitów na sekundę. Wszystko to sprawia, że maleją zasoby dostępnego widma radiowego, niezbędnego do prawidłowego działania sieci. Eksperci szacują, że do 2017 roku ilość danych przesłanych bezprzewodowo wzrośnie 10-krotnie w stosunku do sytuacji obecnej. W tym samym czasie wydajność widmowa (prędkość transmisji danych przypadająca na określoną szerokość pasma radiowego) ulegnie nasyceniu.

Alokacja gigantycznych porcji informacji przesyłanych w widmie radiowym będzie zadaniem niezmiernie trudnym, nawet mimo postępów jakie dokonały się w technologiach Wi-Fi w ciągu ostatniej dekady. Odpowiednie ostrzeżenia wystosowała już agencja FCC (Federal Communications Commission), światowe instytucje nadzorcze i globalni operatorzy.

Light Fidelity (Li-Fi) jest jedną z bardziej obiecujących technologii, pozwalających odciążyć widmo wykorzystywane przez połączenia Wi-Fi. Li-Fi wywodzi się z szerszej koncepcji VLC (Visible Light Communication), czyli komunikacji bezprzewodowej przy użyciu światła w zakresie widzialnym. Spektrum światła widzialnego jest bardzo szerokie (ok. 10 tys. razy większe od pasma radiowego) i nie regulowane (brak opłat licencyjnych i ograniczeń), co dodatkowo zachęca do jego wykorzystania. Do transmisji danych używane jest zwykłe światło emitowane przez półprzewodnikowe diody LED (Light-Emitting Diode). Bity informacji są przekazywane w formie bardzo szybkich zmian stanu diody nadawczej, które są niezauważalne dla człowieka. Użytkownik cały czas widzi święcące źródło punktowe. Odbiornikiem Li-Fi jest fotodioda p-i-n lub lawinowa (avalanche photodiode).

Za twórcę określenia Li-Fi i jednego z odkrywców wykorzystania diod LED do transmisji danych uważa się profesora Haralda Haasa z Uniwersytetu w Edynburgu (Wielka Brytania). Zespół Haasa prowadzi prace nad VLC i Li-Fi od ponad 10 lat. Profesor zaprezentował wyniki swoich badań, popartych realną demonstracją, podczas konferencji TEDGlobal 2011. Od tego czasu termin „Li-Fi” zaczął być rozpoznawalny nie tylko w środowiskach akademickich i specjalistycznych, ale również wśród entuzjastów nowych technologii bezprzewodowych.

Jak podkreśla Haas, diody LED wytwarzają światło niekoherentne (w odróżnieniu od lasera), co uniemożliwia wykorzystanie fazy sygnału do transmisji danych. Z tego powodu do prawidłowego przesłania informacji na odległość potrzebne jest zastosowanie zaawansowanej modulacji i bezpośredniej detekcji. Te czynniki mogą negatywnie wpływać na szybkość transmisji danych.

W demonstracyjnej, sprzętowej wersji Li-Fi użyto modulacji OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), szeroko rozpowszechnionej w sieciach mobilnych (3G/4G) i bezprzewodowych (IEEE 802.11n). Jedną z wad ortogonalnego zwielokrotniania częstotliwości jest zbyt duży, wymagany poziom stosunku mocy szczytowej do średniej (PAPR - Peak to Average Power Ratio) nośnych przesyłających sygnał. Nakłada to dodatkowe wymagania dotyczące jakości nadajników i odbiorników. Według Haasa, w przypadku Li-Fi, może być to zaletą. W warunkach laboratoryjnych, przy użyciu pojedynczej diody LED, uzyskano prędkości przekraczające 500 Mb/s. W realnej demonstracji wynik był trzykrotnie niższy, co jednak w rozwiązaniu punkt-punkt (point-to-point) i tak jest bardzo dobrym rezultatem. W sieciach stosuje się zwykle łącza wielopunktowe, pozwalające zwiększyć przepustowość transmisji.

Specjaliści nieustannie pracują nad osiąganiem większych przepływności Li-Fi. W celu opracowania doskonalszych form Li-Fi powołano Engineering and Physical Sciences Research Council, w skład którego weszli naukowcy z uniwersytetów w Edynburgu, St Andrews, Strathclyde, Oxfordu i Cambridge. W ramach projektu Ultra-Parallel VLC opracowano specjalną mikrodiodę LED, która może przesyłać dane w równoległych strumieniach światła, przy użyciu OFDM. Każdy z kolorów podstawowych (czerwony, zielony, niebieski), składających się na światło białe, ma za zadanie przenieść dane z prędkością dochodzącą do 3,5 Gb/s. Po złożeniu trzech strumieni można uzyskać ponad 10 Gb/s. Choć jest to wartość teoretyczna, ale naukowcy podkreślają, że być może uda się do niej zbliżyć.

Niezależne badania nad tą technologia prowadzone są również w Niemczech i Chinach. W niemieckim Fraunhofer Heinrich Hertz Institute, w warunkach laboratoryjnych, udało się przesłać dane za pomocą Li-Fi z prędkością 1 Gb/s. Natomiast chińska profesor Chi Nan z Uniwersytetu Fudan w Szanghaju zbudowała rozwiązanie bazujące na Li-Fi, wykorzystując do tego celu podstawowe elementy zakupione w chińskim sklepie internetowym. Dzięki kilku jednowatowym diodom LED (do routera i odbiorników) jej zespołowi udało się zapewnić połączenie sieciowe czterem komputerom. Sumaryczna prędkość przesyłania danych nie przekraczała 150 Mb/s, a odległość komputerów od routera nie mogła być większa niż 3 metry, przy zapewnieniu bezpośredniej widoczności między urządzeniami.

Zestaw zbudowany przez zespół profesor Chi Nan nie ma cech połączeń bezprzewodowych, do których przywykli użytkownicy (niewielkie rozmiary, swoboda przemieszczania się, stabilny zasięg), ale stanowi realne potwierdzenie działania technologii Li-Fi. Chi Nan przewiduje, że kolejne prezentacje będą przeprowadzane z użyciem diod o większej mocy, co pozwoli przyspieszyć transmisję do 3,5 Gb/s. Badania nad Li-Fi nie należą jednak do tanich (dotychczas pochłonęły ponad 500 tys. USD), a prace nad demonstracyjną wersją sprzętową, złożoną z dostępnych ogólnie produktów zajęły ponad rok. Mimo to, profesor twierdzi, że wykorzystanie światła widzialnego do przesyłania danych jest rozwiązaniem przyszłościowym, szczególnie, gdy weźmie się pod uwagę szeroką dostępność i rosnącą popularność oświetleniowych diod LED.

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200